运算放大器的设计与仿真

1、1集成运算放大器放大电路概述 集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。集成放大电路最初多用于各种模拟信号的运算（如比例、求和、求差、积分、微分）上，故被称为运算放大电路，简称集成运放。集成运放广泛用于模拟信号的处理和产生电路之中，因其高性价能地价位，在大多数情况下，已经取代了分立元件放大电路。2 电路原理分析2.1 电路如图1所示图1 此电路为反向比例运算电路，这是电压并联负反馈电路。输入电压V1通过电阻R1作用于集成运放的反相输入端，故

2、输出电压V0与V1反相。图2 仿真结果图输入输出关系理论输出值仿真输出值电路功能-5V-5V反相比例运算电路其中图3此电路为反相求和运算电路，其电路的多个输入信号均作用于集成运放的反相输入端，根据“虚短”和“虚断”的原则，节点N的电流方程为所以 图4 仿真结果图输入输出关系理论输出值仿真输出值电路功能-3V反相求和放大电路其中图5此电路为电压跟随器电路，此电路输出电压的全部反馈到反相输入端，电路引入电压串联负反馈，且反馈系数为1，由于，故输出电压与输入电压的关系为图6 仿真结果图输入输出关系理论输出值仿真输出值电路功能100mV电压跟随器2.4 电路如图7所示图7从对比例运算电路和求和运算电路

3、的分析可知，输出电压与同相输入端信号电压极性相同，与反相输入端信号电压极性相反，因而如果多个信号同时作用于两个输入端时，就可以实现加减运算。，图8 仿真结果图输入输出关系理论输出值仿真输出值电路功能1V1V加减运算电路2.5 电路如图9所示图9此电路为积分运算电路，利用积分运算电路可以实现方波三角波的波形变换和正弦余弦的移相功能。其中，电路输入为100Hz/2V的方波，输出为Vopp=100mV图10仿真结果图 输入方波，输出三角波图11此电路为微分运算电路，根据“虚短”和“虚断”的原则，为“虚地”，电容，因而输出电压为，输出电压与输入电压的变化率成比例。图12 仿真结果图输入方波（RC<

4、;<T/2），输出为尖顶波2.7 如图13所示，此电路为二阶低通滤波电路图13设截止频率为fp，频率低于fp的信号能够通过，高于fp的信号被衰减的滤波电路称之为低通滤波器。使的频率为通带截止频率fp。图14图15 仿真结果图所以截止频率fp2.8 如图16所示，此电路为二阶高通滤波电路图16设截止频率为fp，频率高于fp的信号能够通过，低于fp的信号被衰减的滤波电路称之为高通滤波器。使的频率为通带截止频率fp。图17图18 仿真结果图所以截止频率fp2.9 电路如图19所示，此电路为二阶带通滤波电路图19设低频段的截止频率为fp1，高频段的截止频率为fp2，频率为fp1到fp2之间的信号

5、能够通过，低于fp1和高于fp2的信号被衰减的滤波电路称之为带通滤波器。图20图21所以所以带宽2.10 如图22所示，此电路为二阶带阻滤波电路图22频率低于fp1和高于fp2的信号能够通过，而频率在两者之间的信号被衰减的滤波电路称为带阻滤波器。图23图24阻带宽度为电路如图25，信号源输入2V/100Hz的正弦波，观察输入和输出的波形，说明电路的功能。如果把二极管去掉，输出波形有什么变化。图25此电路为过零比较电路，电路只有一个阈值电压，输入电压逐渐增大或减小过程中，当通过UT时，输出电压产生跃变，从高电平跃变为低电平，或者从低电平跃变为高电平。没去掉二极管时波形如图26所示图26去掉二极管

6、时波形如图27所示图27当去掉二极管时，输出波形幅度增大。2.12电路如图28所示，此电路为滞回比较电路图28电路有两个阈值电压，输入电压Ui从小变大过程中使输出电压Uo产生跃变的阈值电压UT1，不等于从大变小过程中使输出电压Uo产生跃变的阈值电压UT2，电路具有滞回特性。图29 仿真结果图计算电路的两个阈值从集成运放输出端的限幅电路可以看出，。集成运放反相输入端电位，同相输入端电位，令，求出的就是阈值电压，因此得出，由仿真图29知，输入为2Vp，输出为，所以，对比输入输出波形，也基本符合理论计算值。，（1）低音反馈网络由哪些元件组成（2）高音反馈环节由哪些元件组成。(3)输入100Hz,0.

7、71V的信号，将RP1、RP2分别调到50的位置，观察输入输出波形的幅度，并记录。(4) 输入100Hz,0.71V的信号,RP2在50位置不变，RP1从0%变到100，观察输入输出波形的变化情况，并记录。（5）输入2000Hz/0.7V信号，RP1在50位置不变，RP2从0变到100，观察输入输出波形的变化，并记录。图30此电路为音响的音调控制电路，该电路调试方便，信噪比高，图30中C3和C4的容量大于C1，对于低音信号C3和C4可视为开路，而对于高音信号C1可视为短路。问题（1）答：低音反馈网络由R2、RP1和R3组成，（2）高音反馈网络由R4、RP2和C1组成。（3）波形如图31所示图3

8、1输入约为2Vpp，输出约为1.1Vpp。（4）图32 图32为输入100Hz,0.71V的信号,RP2在50位置不变，RP1在0%图31为输入100Hz,0.71V的信号,RP2在50位置不变，RP1在50%图33为输入100Hz,0.71V的信号,RP2在50位置不变，RP1在100%图33如图所示，当RP1在0%，Vpp约为0.4Vpp，当RP1在50%，Vpp约为1.1Vpp，当RP1在100%，Vpp约为2.4Vpp，所以随着RP1的增大，低音提升越大。（5）图34图34为输入200Hz,0.71V的信号,RP1在50位置不变，RP2在0%图35图35为输入200Hz,0.71V的信

9、号,RP1在50位置不变，RP2在50%图36图36为输入200Hz,0.71V的信号,RP1在50位置不变，RP2在50%如图所示，当RP2在0%，Vpp约为1.4Vpp，当RP2在50%，Vpp约为1.3Vpp，当RP2在100%，Vpp约为1.2Vpp，所以随着RP2的增大，高音提升越大。（1）推导输入与输出电压的关系，分析说明电路功能。(2)信号输入一个100Hz/100mV的信号，观察并记录输入与输出波形。（3）改变R2与R1的比值，观察输出波形的变化。图37（1）此电路为半波整流电路，半波整流是利用二极管的单向导电性进行整流的最常用的电路，半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标

10、准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。并且此电路为反相比例运算放大电路，所以，（2）信号输入一个100Hz/100mV的信号，输入与输出波形如图38所示图38（1）设R2=100，R1=10（2）信号输入一个100Hz/100mV的信号，输入与输出波形如图39所示图39（1）推导输入与输出电压的关系，分析说明电路功能。(2)信号输入一个100Hz/100mV的信号，观察并记录输入与输出波形。（3）改变电阻R6,对电路的输出有什么影响。图40（1）此电路为全波整流电路，全波整流是一种对交流整流的电路。全波整流，就是对交流电的正、负半周电流都加以利用，输出的脉动电流，是将交流电的负半周也变成正半周，即将50Hz的交流电流，变成100Hz的脉动电流。所以此电路可以使交流信号转换为直流信号。（2）信号输入一个100Hz/100mV的信号，输入与输出波形如图41所示图41（1）增大电阻R6，波形往上攀升。如图42图422.16：电路如图43（1）推导输入与输出的关系，说明电路的功能